Model Wielkiego Wybuchu

Standardowy model Wielkiego Wybuchu jest powszechnie przyjmowaną teorią ewolucji Wszechświata. Zgodnie z tą teorią przed około 13,7 miliarda lat Wszechświat wypełniony był bardzo gęstą i bardzo gorącą plazmą, w której panowała równowaga termodynamiczna pomiędzy elementarnymi składnikami materii i promieniowaniem (fotonami). W wyniku Wielkiego Wybuchu cały Wszechświat zaczął się rozszerzać. Wskutek tej kosmicznej ekspansji temperatura i gęstość zarówno materii, jak i promieniowania malały. Umożliwiło to pojawienie się w ułamkach pierwszej sekundy znanych nam dziś cząstek elementarnych, takich jak protony i neutrony. W czasie pomiędzy mniej więcej pierwszą sekundą a pierwszymi trzema minutami po Wielkim Wybuchu powstawały jądra izotopów lekkich pierwiastków, takich jak wodór, hel i lit. Szybkie obniżanie gęstości i temperatury uniemożliwiło formowanie się cięższych pierwiastków (mogły one powstawać dopiero w gwiazdach). Po upływie około 300 tysięcy lat możliwa stała się rekombinacja kosmicznej plazmy – elektrony zostały przyłączone do jąder lekkich izotopów, utworzyły się neutralne atomy, a Kosmos stał się przezroczysty dla fotonów. To z tej epoki pochodzi promieniowanie termiczne, obserwowane dziś jako mikrofalowe promieniowanie tła o temperaturze około 2,73 K. Dopiero po dalszych kilkuset milionach lat, w wyniku narastania początkowych, niewielkich nierównomierności w rozkładzie materii, zaczęły powstawać pierwsze galaktyki i gwiazdy. Tworzyła się także wielkoskalowa struktura rozkładu materii: gromady galaktyk, supergromady, wielkie kosmiczne pustki. A za sprawą nukleosyntezy zachodzącej w gwiazdach postępowała chemiczna ewolucja galaktyk.

Teoretyczną podstawą modelu Wielkiego Wybuchu jest ogólna teoria względności. Rozwiązania równań Einsteina, w przypadku gdy opisują one cały Wszechświat, podał na początku lat dwudziestych XX w. Aleksander Friedman (1888–1925).

Z modelu Wielkiego Wybuchu można wyprowadzić wiele przewidywań o charakterze experimentum crucis (testu rozstrzygającego). Brak obserwacyjnego potwierdzenia tych przewidywań oznaczałby obalenie tej teorii. Takimi przewidywaniami są np.:

1. Wszechświat jako całość rozszerza się zgodnie z prawem Hubble’a, mówiącym, że galaktyki oddalają się od obserwatora z prędkościami proporcjonalnymi do odległości od niego.
2. Skład chemiczny Wszechświata to (wagowo) blisko 74% wodoru (z tego jeden na sto tysięcy atomów w formie izotopu wodoru – deuteru), około 24% helu, lit w proporcjach mniej więcej jeden atom na miliard oraz pozostałe pierwiastki, na które przypada 2%.
3. Cały Kosmos jest wypełniony termicznym (o widmie ciała doskonale czarnego) promieniowaniem o temperaturze kilku kelwinów.
4. Obiekty kosmiczne podlegają ewolucji – zmienia się ich liczba w jednostce objętości, skład chemiczny, jasność itd.
5. Temperatura kosmicznego promieniowania tła zmieniała się w kosmicznych epokach w ściśle określony sposób.
6. Istniała w przeszłości epoka, w której nie było jeszcze galaktyk.
7. Wielkoskalowa struktura rozkładu materii powstawała stopniowo.

Pierwsze z wymienionych przewidywań zostało potwierdzone obserwacyjnie w 1929 r. przez Edwina Hubble’a, który zaobserwował zjawisko ucieczki galaktyk. Drugie przewidywanie, wyprowadzone w szczegółach przez P. J. E. Peeblesa (ur. 1935) i R. Wagnera (ur. 1938) w latach sześćdziesiątych XX w., było stopniowo potwierdzane przez wiele zespołów obserwatorów. Podobnie trzecie przewidywanie, dotyczące ewolucji chemicznej, jak też zmiany liczby obiektów danego typu w wyniku kosmicznej ewolucji, jest dziś doskonale potwierdzone obserwacyjnie. Na przełomie XX i XXI w. kilka zespołów obserwatorów zdołało wyznaczyć temperaturę promieniowania tła kosmicznego w odległych epokach w przeszłości – wyniki są w pełni zgodne z przewidywaniami modelu Wielkiego Wybuchu. W pierwszej dekadzie XXI w., dzięki obserwacjom prowadzonym z orbity okołoziemskiej, potwierdzono obserwacyjnie, że pierwsze galaktyki i gwiazdy powstały kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. W dekadzie tej uzyskano także dowody obserwacyjne na ewolucję struktury rozkładu materii w wielkich skalach.

Nazwa teorii – Wielki Wybuch – pochodzi od astronoma Freda Hoyle’a (1915–2001), który użył jej w 1949 r. w audycji radiowej w BBC.

Literatura

1. M. Heller, Granice kosmosu i kosmologii, Warszawa 2005.
2. M. Jaroszyński, Galaktyki i budowa Wszechświata, Warszawa 1993.
3. A.Liddle, Wprowadzenie do kosmologii współczesnej, Warszawa 2000.
4. F. Shu, Galaktyki gwiazdy, życie. Fizyka Wszechświata, Warszawa 2003.
5. S. Weinberg, Pierwsze trzy minuty. Współczesne poglądy na początki Wszechświata, Warszawa 1998.
6. Kosmos znany i nieznany, “Świat Nauki” (wydanie specjalne) nr 2/2003.